宇宙究竟源于“有”还是“无”？

罗伯特·阿黛勒 田也

一些物理学家认为他们能够解释宇宙最初形成的原因。如果他们是正确的，那么我们的宇宙很可能就是那样凭空出现的。

几千年来，人们一直在思考宇宙存在的奥秘。关于宇宙为何存在这个问题，几乎每个古老文明都创造了自己版本的故事——大多数都把这个问题归为神的力量，哲学家也已就这个主题进行了大量的探讨。但一直以来，科学界始终未对这一终极问题进行过过多评论。

近年来，一些物理学家和宇宙学家已着手处理这个问题。他们指出，现在我们对宇宙的历史和描述其运作原理的物理规律已经有了一定的了解，这些信息应该能为宇宙如何产生以及为什么存在提供一丝线索。

他们得出的具有明显争议的答案是：整个宇宙，从大爆炸时的巨大火球到我们今天身处其中的星光熠熠的世界，就那么无中生有，横空出世了。他们认为，这是个必然现象，因为在本质上，“无”是一种不稳定的状态。

这个想法听起来有点离奇，或者说有点像虚幻的创作故事。但物理学家说，这完全符合科学界的两个强大理论：量子力学和广义相对论。

现在，问题又来了，世间万物究竟是如何从“无”中产生的？

真空区域的粒子

首先，我们得先了解一下量子力学。量子力学是物理学的一个分支，专门与那些极其微小的事物打交道，比如原子和粒子。这是一套非常成功的理论，是现在大多数电子产品的理论支撑。

根据量子理论，根本就不存在真空这回事。即使我们认为的绝对真空实际上也翻滚着粒子云和反粒子云，它们陡然出现，又瞬间消失。

这些被称为虚粒子的物质稍纵即逝，无法被直接观察到，但我们可以根据其效果来确定它们的存在。

源于无有之处无有之时的时空

从微小的原子到浩瀚的星系，能帮助我们了解如此大范围结构的最好理论就是阿尔伯特·爱因斯坦的最高成就——广义相对论，该理论阐明了空间、时间和引力的运作原理。

相对论与量子力学迥然不同，而且迄今还没有人能将二者完美地结合起来。然而，一些理论物理学家已经能够在某些精挑细选的特殊问题上使用这两种理论了。比如，斯蒂芬·霍金在剑桥大学用这两种理论对黑洞进行了描述。

量子物理学家发现，将量子理论应用到尽可能小的空间时，空间本身也变得不稳定了。此时，时间和空间开始不稳定，继而变得混沌，形成时空气泡。换句话说，空间和时间的小小气泡可以同时形成。“如果空间和时间可以量子化，那么它们就会波动。”亚利桑那州立大学的劳伦斯·克劳斯说，“因此，你可以像创造虚粒子一样创造虚拟时空。”

而且，如果这些气泡有形成的可能，那么它们一定会形成。塔夫茨大学教授亚历山大·维兰金说：“在量子物理学中，如果某事未被禁止，那么它必然会发牛。”

由气泡形成的宇宙

并非只有粒子和反粒子可以自由出入无有之境，时空气泡也可以做到这一点。尽管如此，从一个微小的时空气泡发展成为包含约1000亿个星系的庞大宇宙，也是一个不小的飞跃。当然，即使形成了这样一个气泡，也有可能在眨眼间消失不见。

事实上，这样一个气泡是有可能存在下去的，只是还需要借助一点点外力：宇宙膨胀。

现在，多数物理学家认为宇宙源于一次大爆炸。最初，宇宙所有的质量和能量都挤在一个小到难以想象的奇点上，然后，砰的一声，大爆炸发生了。这与20世纪早期发现的宇宙正在膨胀的事实相吻合。如果所有的星系都在渐行渐远，那么它们肯定曾经聚拢在一起过。

膨胀理论认为，在大爆炸后的一个时期里，宇宙的膨胀速度远比后来要快许多。这个貌似奇怪的理论由麻省理工学院的阿兰·古斯在20世纪80年代最先提出，后来经斯坦福大学的安德烈·林德加工完善。

该理论认为，大爆炸后不到1秒的时间内，量子尺寸的空间气泡瞬间急速膨胀，从比原子核还小的体积瞬间膨胀至一粒沙子的大小。膨胀最终缓慢下来，这时，当初导致其膨胀的能量场转化成了今天宇宙中的物质和能量。古斯将膨胀称为“最后的免费午餐”。

该理论看上去很奇怪，实则非常符合事实，尤其是它非常巧妙地解释了为什么宇宙微波背景辐射——大爆炸残留的微弱辐射——几乎均匀地分布于宇宙空间。如果宇宙不是在如此短暂的时间内急剧膨胀，微波背景辐射的分布很可能要比现在零散。

扁平宇宙的重要性

同时，膨胀理论也给宇宙学家提供了确定宇宙几何形状的测量工具。事实证明，这也是理解宇宙如何无中生有的关键。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，我们置身其中的时空可以有三种不同的表现形式：它可以平如桌面；也可以向内部弯曲如球体表面，在这种情况下，如果你沿同一方向前行到足够远，你很可能会到达你的起点；还有一种情况，时空可以向外弯曲，如同马鞍。那么，现实的时空究竟是哪种形式？

有一种方法可以对此进行验证。还记得数学课上老师教给你的吗？三角形的三个内角之和恰好是180度。实际上，你的老师漏掉了一个关键条件，即只有在平面几何中才会如此。如果你在气球的表面画一个三角形，这个三角形的三个内角之和将远远大于180度。反过来，如果你在一个弯曲成马鞍状的物体表面画一个三角形，这个三角形的三个内角之和将小于180度。

因此，要想弄清楚宇宙究竟是不是平的，我们需要对一个巨无霸三角形的三个内角进行测量。这时，就用得到膨胀理论了，它决定了宇宙微波背景辐射中冷热区域的平均大小。2003年，科学家对这些区域进行了测量，这次测量的结果给了天文学家一个可供选择的三角形。现在我们知道，这个结果就是：在可观测的最大范围内，宇宙是扁平的。这一点至关重要，因为只有扁平宇宙才具有无中生有的可能性。

宇宙中存在的一切，从恒星、星系到我们看到的它们发出的光，一定发端于某处。我们已经知道，粒子源于量子层面，因此我们可以猜想宇宙最初或许包含一些微不足道的细小事物。然而，要形成所有这些恒星和行星，却需要大量能量。

物质的能量恰好等于物质的重力势能

宇宙到底是从哪儿获得这么多能量的？听起来有点奇怪的是，宇宙很可能根本不需要去获得任何能量。这是因为宇宙中的任何物体都能产生引力，这种力会拉动其他物体向自己靠近。

这有点像一种测量重量的老式方法：在秤的一头先放上重物，再在另一头也放上重物，直到两边平衡。在宇宙中，秤的一边是物质，另一边是重力。

物理学家已经计算出，扁平宇宙中物质的能量恰好等于物质产生的重力的能量。但这种平衡只有在扁平宇宙中才会成立，如果宇宙是弯曲的，这两种能量就无法取得平衡。

单个宇宙抑或多元宇宙？

在这个问题上，单个宇宙看起来似乎更简单些。量子力学告诉我们，“无”在本质上是不稳定的，因此从无到有的这一初始飞跃将是不可避免的。其带来的结果就是，一个微小的时空气泡变成一个庞大而烦琐的宇宙——真是多亏了膨胀。正如克劳斯指出的，“我们所理解的物理规则使得这一认识明显具有合理性，即我们的宇宙最初一无所有——没有空间、没有时间、没有粒子，我们所了解的任何东西那时统统没有”。

那么，为什么这个过程就只发生过一次？如果可以凭空出现一个时空气泡并膨胀成浩渺的宇宙，那么，到底是什么阻止了其他气泡也产生同样的结果？

宇宙很可能是一个令人难以置信的大杂烩

林达提供了一个简单却令人费解的答案。他认为，宇宙会一直源源不断地产生，而且这个过程会永远持续下去。

林达说，当一个新的宇宙停止膨胀时，它周围的空间仍然在继续膨胀，这个膨胀着的空间会产生更多的宇宙，这些宇宙同样也会被膨胀的空间包围。因此，膨胀过程一旦开始，就将没完没了地产生一连串的宇宙，林达称之为永恒膨胀。我们的宇宙，或许只是沧海一粟。

那些宇宙很可能完全不同于我们的宇宙。我们的毗邻宇宙很可能是五维的而不是三维的，不止有长度、宽度和高度。重力很可能是我们宇宙的10倍之强，也可能只有我们宇宙的千分之一，或者根本就没有重力，物质也很可能由完全不同的粒子构成。

因此，宇宙很可能是一个令人难以置信的大杂烩。林达认为，永恒膨胀并非只是最后的免费午餐，而且是唯一的免费午餐。在这里，你可以吃到所有可能的菜品。

然而，到目前为止，我们还没有确凿的证据证明其他宇宙的存在，但无论是单个宇宙还是多元宇宙，这些想法都赋予了“Thanks for nothing”这句话以全新的解释。（译者注：“Thanks for nothing”在英语中表示拒绝或轻蔑，跟汉语的“得了吧，您呐”接近。因为宇宙很可能来源于“nothing”，因此，得亏了“nothing”才有了宇宙，从而成为一句实实在在的感谢的话，也就是给了这个短语一个全新的解释。）